[发明专利]由薄多孔金属板组成的电化学装置

说明书

使用薄微孔金属板的电化学装置。多孔金属板可以具有小于200μm的厚度，提供孔径在2.0nm至5.0μm范围内的三维互联网絡孔结构，并且是导电的。通过提供反应物/电子大的接触表面积，微孔金属片用于带正电和/或带负电的电极。纳米级催化剂或特征可以添加进含有亚微米级和微米级孔径的多孔金属片的孔内，以增强反应活性和容量。微孔陶瓷材料可以以小于40μm的厚度涂覆在多孔金属板上，以增强多孔金属板的功能。非导电性陶瓷涂层可用作膜分离器。电化学装置可用于分解分子或合成分子，例如从水和氮分子合成氨。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2018年6月6日提交的美国临时申请No.62/681,398的权益，该临时申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明的实施例一般针对电化学系统及其操作，特别是针对由薄多孔金属板组成的电化学系统。

背景技术

膜分离器、正电电极和负电电极是电化学转换装置的三个基本部件，如用于电解水、氨水的电化学生产、燃料电池和电池。带负电荷的电极为电极中发生的电化学反应提供电子。在正电电极上，电子从电化学反应中被移除。例如，在电解水时会发生以下化学反应:

在带负电荷的电极上：

2e^-+2H₂O→2OH^-+H₂

在带正电荷的电极上：

2OH^-→2e^-+0.5O₂+H₂O

总的反应是：

H₂O→H₂+0.5O₂

在氢氧化物电解液中操作氢燃料电池时，电极上发生以下反应：

在带负电荷的电极上：

2e^-+H₂O+0.5O₂→2OH^-

在带正电荷的电极上：

H₂+2OH^-→2e^-+2H₂O

总的反应是：

H₂+0.5O₂→H₂O

电化学转换在许多重要的工业过程中被使用，并且对于从可再生能源或间歇性能源 (如风能、太阳能和水力)中储存电能变得越来越重要。氢和氧是两种广泛使用的气体，在电解池中电解水可以产生。反之，在燃料电池中氢与氧的燃烧可以产生电能。充电电池广泛应用于电子设备和电动汽车，涉及可逆电化学反应。电化学反应在一些新兴的过程中起了作用，例如用电能从水和氮生产氨。小型电化学装置可用于根据需要生产氨，如提供氨用于选择性催化还原车辆排气中的一氧化氮。大型电化学装置可用于利用风能或太阳能生产氨，用于化肥或化学储能介质。

这些电化学装置的一个常见需求是一个电极，它可以提供很高的比表面积积来让电子与反应物发生反应。大量的研究和开发工作致力于发现新的反应化学，改进电解质材料，改进催化剂和配方。然而，对电极主干结构的改进受到现有材料的局限性。这里描述的实施例填补了这个空白。

除了电极的支撑结构外，下面描述的各种实施例为分离器提供了一种新的材料结构。分离器作为电化学转换装置的组成部分，具有下列一项或多项功能：i)使带正电和负电的电极彼此保持绝缘以避免短路，ii)允许电解质通过，而且iii)使两个电极的反应产物分离。